JP3175321B2 - 焦電アレイセンサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、赤外線、特に熱線を検
知する焦電センサの形状に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、赤外線、特に熱線を検知する焦電
センサは焦電効果を有する基材の両面に電極を設け、赤
外線照射により該電極間電位が変化することを利用して
検知するものである。材料としては硫酸グリシン系、ポ
リ弗化ビニリデン系、ＬｉＴａＯ3、ＰｂＴｉＯ3などの
強誘電体材料が用いられ、また、基材の形態は硫酸グリ
シン系、ＬｉＴａＯ3等は結晶体が用いられ、ＰｂＴｉ
Ｏ3系は結晶の形成が困難なことから焼結セラミックも
しくは薄膜技術により形成した薄膜を用いるのが一般的
である。

【０００３】

【発明が解決しょうとする課題】薄膜センサは感度は高
いがコストと信頼性の点で問題が有り、それとは逆に、
結晶体やセラミック体は生産性および信頼性の点で優れ
ているという特徴がある。該結晶体やセラミック体を切
削・研磨加工により薄板化し、外基板上に電極を形成し
てセンサ素子をライン状に並べたアレイセンサを形成す
る場合、基板の温度変化や振動に対し敏感に出力電圧が
変化するという課題が有った。

【０００４】本発明は、上述の問題に鑑みて試されたも
ので、結晶体もしくはセラミック体を用いて低コストで
信頼性が高いアレイセンサを提供するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は上述の課題を解
決するため、焦電効果を有する結晶体もしくはセラミッ
ク体基材の表面に赤外線受光部用電極と補償用電極を一
対とした電極対を複数個ライン状に一定間隔で配置し、
前記受光電極及び補償電極から外部電気回路へのリード
部をそれぞれ設け、該基板の裏面には該電極対と対峙す
る位置に対向電極を各々設けた構造とし、前記受光部用
電極には赤外線照射状態となるよう受光窓を設け、か
つ、補償電極には赤外線遮光状態としたことを特徴とす
るものである。

【０００６】

【作用】本発明は上述の構成によって、各センサ出力
が、基材の温度変化や、振動に影響されることなく、２
次元の入射赤外線量（熱量）を正確に測定することを可
能とするものである。さらには、各電極のリード部を焦
電体基板表面に設けることにより、センサ素子の組立を
容易とするものである。

【０００７】

【実施例】

（実施例１）図１および図２は本発明の一実施例を説明
するための焦電体部の概略構成を示すものであって、図
１に示すように切削・研磨加工により薄板化したＰｂＴ
ｉＯ3等からなる焦電体基板１０の表面には、蒸着もし
くはスパッター法により受光電極２０と補償電極２２を
複数個設け、同時に該電極は各々受光電極リード部２１
と補償電極リード部２３を設ける。さらに、該焦電体基
板１０の裏面には、蒸着もしくはスパッター法により、
受光電極２０と補償電極２２とに各々対峙する位置に対
向電極２４を形成する。各電極パターンはメタルマスク
法でもポトリソグラフィによってもよい。このとき、隣
接する受光電極間距離は１０から２００μｍとし、受光
電極２０と補償電極２2間隔は、５００μｍから２ｍｍ
がよい。また、受光電極と補償電極は同一面積であるこ
とが望ましい。各電極のリード部における線巾は２０−
１００μｍが良い。

【０００８】次に、図１に示すように該焦電体基板１０
の受光表面前面には、赤外線選択透過窓４１を有する赤
外線選択透過基板４０を配置することにより、受光電極
２０にのみ赤外線５０が照射されるようにし、補償電極
２２に遮光状態とする。

【０００９】図３には該焦電体基板１０と赤外線選択透
過基板４０および受光電極２０上に赤外線を集光するた
めの赤外線透過レンズ６０とチョッパー７０との相対位
置を示す。当然のことながら、集光後の赤外線は赤外線
選択透過基板４０によって、補償電極２２側には照射さ
れず、受光電極２０側のみに照射されものである。ま
た、赤外線５０はチョッパー７０により、断続的に入射
することにより、焦電出力を得る。

【００１０】上述の赤外線選択透過基板４０は、電磁波
の遮蔽効果を有する金属材料を用いるのが好ましく、さ
らには、赤外線選択透過窓４１はシリコン薄板で覆って
もよい。また、該赤外線選択透過基板４０は赤外線透過
レンズ６０と焦電体基板１０との中間に設けるのがよ
く、焦電体基板１０上の数ｍｍ以下の位置に固定するの
がよい。

【００１１】図４には１つの受光部の等価回路の原理図
を示す。Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は抵抗を示し、８０は増幅回
路であって、受光部２５とは焦電体基板１０を介して受
光電極２０と受光電極下部の対向電極２４とで形成され
るものであり、補償部２６とは焦電体基板１０を介して
補償電極２２と補償電極下部の対向電極２４とで形成さ
れるものである。

【００１２】図４において、焦電体基板の表面電荷（焦
電出力）は、一般に焦電体の温度変化や振動、または吸
着ガス種によって変動するものであり、補償部２６がな
い場合、受光部両端子の容量ドリフトがそのままＶOUT
出力として、検出され、入射赤外線５０のエネルギー変
化を正確に測定することができにくい。しかし、補償電
極部２６を設けることにより、上述の要因による変動成
分は、お互いに相殺され、出力端子の容量ドリフは発生
せず、受光部２５に赤外線が照射された場合にのみ、発
生し、受光部２５の表面電荷の変化を増幅しＶOUTとし
て検出可能となる。

【００１３】なお、変化量は、周囲温度で若干異なる
が、焦電体部の温度をモニターしフィールドバックする
ことにより、正確な赤外線エネルギー変化を測定でき
る。

【００１４】今、図５に示す様な、基板に凹部を有する
回路基板３０に前記焦電体基板１０を装着し、図６に示
すように各電極リード部と回路基板上の取り出し電極３
１とを導電性ペースト３２で電気的に接続することによ
り、薄体化した焦電体基板を安定に保持し、かつ、信号
取り出し用のリード部の接続も信頼性の高い方法で達成
できる。回路基板としては、セラミック基板、ガラエポ
基板もしくはポリイミド基板等が利用できる。

【００１５】実際に、受光電極部および補償電極部を同
一焦電体基板上に１０個アレイ状に形成し、画角８０度
の赤外線レンズ系を用いて測定した結果、アレイ状の方
向の１次元の温度分布を±０．２℃の精度で空間分解能
１０（８度）で正確に測定することができた。

【００１６】次に、該焦電体基板１０と赤外線選択透過
基板４０と赤外線透過レンズ６０とチョッパー７０とを
回転部として一体化し、該回転部をモータに機械的に接
続し、受光電極のアレイ状方向（長軸方向）を縦方向と
して、チョッピングをかけながら、モータを駆動させ、
回転部を断続的に横方向に回転させることによりセンサ
およびレンズが面している方向を左右に回転走査させな
がら、温度分布を測定した。測定後、電気信号処理によ
り各方向の縦の温度分布をつなぎ合わせると、空間の２
次元の反転温度分布が得られた。横（左右）方向の空間
分解能はモータの１回のチョッピング時間毎の回転角に
依存するものであり、例えば、３．６度回転毎に信号入
力し、トータル１８０度回転させた場合には、横方向の
空間分解能は５０となり、縦方向の空間分解能は上述の
如く１０であるのでセンサ位置から見て縦８０度、横１
８０度の空間を±０．２℃の精度で空間分解能１０＊５
０の分解能で温度分布を測定できた。

【００１７】以上、本発明のセンサを用いて、空間の２
次元温度分布測定が達成できた。なお、受光電極の形状
は入射画角の分解能で決定するものであり、上述の場
合、アレイ方向（縦）：横方向＝５：１とするのがよ
い。

【００１８】（実施例２）実施例１に記載した焦電体電
極形状に関して、図７（ａ）に示すように焦電体基板表
面に形成する補償電極を１つの幅広い共通電極で補償電
極２７とする。このとき、対向電極２４は図７（ｂ）に
示すように、補償電極２７に対峙するように配置する。

【００１９】以上の構成とすることにより、補償電極の
リード部２３が１つとなり、焦電体基板から外部の電気
回路への配線が極端に単純、簡単化することができた。

【００２０】さらに、対向電極は図７（ｃ）に示すよう
に、受光電極及び補償電極の対峙する部分がカバーされ
ていれば、特にその形状は限定されるものではない。

【００２１】（実施例３）図８および図９には、焦電体
基板上に形成する他の実施例の電極パターンの１例を示
す。

【００２２】図を示すように焦電体基板表面１１には受
光電極２０および補償電極２３からなる電極群を２列設
けた。このとき、列間の隣接距離は受光電極間で１０−
２００μｍとした。２１，２２は各電極から外部電気回
路へ接続するためのリード部である。焦電体基板裏面１
２には受光電極と補償電極にそれぞれ対峙する位置に対
向電極２４を設ける。各電極の寸法は実施例１と同様で
ある。なお、図９は補償電極を共通化したものである。

【００２３】実際に、受光電極部および補償電極部を同
一焦電体基板上に１０個アレイ状に２列形成し、受光電
極部にのみ、赤外線照射を可能とする赤外線選択透過基
板を上部に配することにより、画角８０度の赤外線レン
ズ系を用いて測定した結果、２次元の温度分布を±０．
２℃の精度で空間分解能２＊１０で正確に測定すること
ができた。

【００２４】次に、実施例１と同様に、該焦電体基板と
赤外線選択透過基板と赤外線透過レンズとチョッパーと
を回転部として一体化し、該回転部をモータに機械的に
接続し、受光電極のアレイ状方向（長軸方向）を縦方向
として、チョッピングをかけながら、モータを駆動さ
せ、回転部を横方向に回転させることによりセンサおよ
びレンズが面している方向を左右に走査させながら、温
度分布を測定した。測定後、電気信号処理により各方向
の縦の温度分布をつなぎ合わせると、空間の２次元の反
転温度分布が得られた。横（左右）方向の空間分解能は
チョッピングの１回の時間毎の回転角に依存するもので
あり、例えば、１ステップ３．６度回転毎に信号入力
し、トータル１８０度回転させた場合には、横方向の空
間分解能は１００となり、縦方向の空間分解能は上述の
如く１０であるのでセンサ位置から見て縦８０度、横１
８０度の空間を±０．２℃の精度で空間分解能１０＊１
００の分解能で温度分布を測定できた。

【００２５】以上、本発明のセンサを用いて、空間の２
次元温度分布を測定する場合、実施例１より２倍の分解
能を向上させることができた。また、分解能を同じとす
るならば、走査時間を半減させることが可能であった。

【００２６】さらに、受光電極と補償電極は同一形状が
好ましいが、場合によっては図９に示す実施例のよう
に、受光電極と補償電極の面積を等しいものであれば、
形状は異ってもよく、そうすることによって、リード部
のひきまわしが容易となり、両サイドから電極を引き出
すことができる。また、リード部を削減することを目的
として、図９に示すように焦電体基板表面に形成する補
償電極を１つの幅広い電極で共通電極とする。このと
き、焦電体基板裏面に形成した全ての対向電極は補償電
極に対峙するように配置する。以上の構成とすることに
より、補償電極のリード部２３が２つとなり、焦電体基
板から外部の電気回路への配線が極端に単純、簡単化す
ることができた。

【００２７】（実施例４）図１０および図１１には、焦
電体基板を回路基板に設置する他の実施例を示す。図に
於て、回路基板３０には焦電体基板より、若干小さめの
開口部を設け、その上に焦電基板を設置したのち、リー
ド部と取り出し電極３１とを電気的に導電性ペースト３
１で接続する。焦電体基板は数十μｍの厚みなので容易
に電極を取り出すことができる。

【００２８】実施例１においては、回路基板に埋設する
例を示したが特に、焦電基板の電極形成部が直接回路基
板に接触して熱伝導をするようなことがなければ、前述
のように回路基板の上に設置してもよい。また、回路基
板に若干の凸部を設けて、焦電体基板を浮かせてもよ
い。例えば図１２及び図１３に示すように取り出し電極
３１の厚みを利用し該電極上に焦電体基板１０をのせる
ことにより、回路基板と焦電体基板間にギャップを設け
るとよい。

【００２９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は、赤外線を検知するアレイセンサとして、焦電効果を
有する結晶体もしくはセラミック体基材の表面に赤外線
受光部用電極と補償用の電極とを一対とした電極対を複
数個ライン状に一定間隔で配置し、前記受光電極および
補償電極から外部電気回路への電極引出し部をそれぞれ
設け、該基板の裏面には前記電極対と対峙する位置に対
向電極を各々設けた構造とし、該赤外線受光部用電極に
は赤外線照射状態となるよう受光窓を設け、かつ、補償
電極には赤外線遮光状態としたことを特徴とするもので
あるから、 （１）基材の温度変化や、振動によって発生する焦電体
表面の電荷密度変化は電気回路上、補償電極によって相
殺され、受光電極に照射された入射赤外線量（熱量）を
正確に測定することを可能とするものである。

【００３０】さらに、受光部を２列とし、各々の引出し
電極および電極接続部が対峙しないようにすることによ
り、 （２）２次元でありながら温度変化や、振動に左右され
ない誤動作を最小限に抑えたセンサができる （３）リード部を焦電体基板の表面の設けたことによ
り、センサ素子の組立が容易となる 等の効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の焦電アレイセンサにおける焦
電体基板と赤外線選択透過基板との相対位置関係を示す
斜視図

【図２】本発明の実施例の焦電アレイセンサにおける具
体的な電極パターンを示す概略図

【図３】本発明の実施例における測定装置の概念図

【図４】本発明の実施例における焦電体電気回路を説明
するための回路図

【図５】本発明の実施例の焦電アレイセンサにおける焦
電体部の回路基板への取り付け状態をしめす分解斜視図

【図６】同実施例の組み立てた状態を示す斜視図

【図７】本発明の実施例の焦電アレイセンサにおける電
極パターンを示す概略図

【図８】本発明の実施例の焦電アレイセンサにおける電
極パターンを示す概略図

【図９】本発明の実施例の焦電アレイセンサにおける電
極パターンを示す概略図

【図１０】本発明の実施例の焦電アレイセンサにおける
焦電体部の回路基板への取り付け状態をしめす分解斜視
図

【図１１】同実施例の組み立てた状態を示す斜視図

【図１２】本発明の実施例の焦電アレイセンサにおける
焦電体部の回路基板への取り付け状態をしめす分解斜視
図

【図１３】同実施例の組み立てた状態を示す斜視図

【符号の説明】

１０ 焦電体基板 １１ 焦電体基板表面 １２ 焦電体基板裏面 ２０ 受光電極 ２１ 受光電極リード部 ２２ 補償電極 ２３ 補償電極リード部 ２４ 対向電極 ２５ 受光部 ２６ 補償部 ２７ 共通補償電極 ３０ 回路基板 ３１ 取り出し電極 ３２ 導電性ペースト ４０ 赤外線選択透過基板 ４１ 赤外線選択透過窓 ５０ 赤外線 ６０ 赤外線透過レンズ ７０ チョッパー ８０ 増幅回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鶴田 智広 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−107733（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−108883（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−152287（ＪＰ，Ｕ) 実開 平２−148428（ＪＰ，Ｕ) 実開 平５−28940（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01J 1/02 G01J 1/42 G01J 5/02 G01J 5/12 G01V 9/04 G08B 13/19 - 13/191 H01L 37/00 - 37/02

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 焦電体基板の表面に複数の赤外線受光電
   極と補償電極とを配置し、前記赤外線受光電極及び前記
   補償電極から外部電気回路へのリード部をそれぞれ設
   け、前記焦電体基板の裏面には前記電極対と対峙する位
   置に各々対向電極を設け、前記焦電体基板上部に、前記
   赤外線受光電極は赤外線照射用状態とし、かつ、前記補
   償電極は赤外線遮光状態とする赤外線選択透過基板を設
   けた焦電アレイセンサにおいて、補償電極が１つの幅広
   い電極で共通の電極であることを特徴とする焦電アレイ
   センサ。